汽车变速拨叉加工工艺及夹具设计

汽车变速拨叉加工工艺及夹具设计内容摘要：

入，处于其产业链上游的汽车零部件跨国集团均以各种不同的方式，跟着其原有的供应渠道，流进了中国市场。 据有关权威部门公布的统计数据显示，截至目前，全球排名前 100 位的汽车零部件供应商中，已有 70%来华开展业务，在中国大陆进行汽车零部件生产的外资企业超 过 1200 家。 2020 年全国汽车零部件企业销售收入 4035 亿元，其中，外资 (控股或独资 )零部件占据了大部分市场份额，国产零部件仅占 20%25%。 导致这种状况出现的原因很多，但最主要的原因就是中国在汽车核心技术方面的欠缺，因此，我们就应该通过技术的改革来增强企业的竞争力，提高汽车零部件的生产质量就成了一个中国企业首要攻克的难题，所以改进汽车零部件的生产工艺和制造技术对于一个即将成为汽车生产大国来说迫在眉睫。 [2] 国内外研究状况 机床夹具的现状 国际生产研究协会的统计表明，目前中、小批多品种 生产的工件品种已占工件种类总数的 85%左右。 现代生产要求企业所制造的产品品种经常更新换代，以适应市场的需求与竞争。 然而，一般企业都仍习惯于大量采用传统的专用夹具，一般在具有中等生产能力的工厂里，约拥有数千甚至近万套专用夹具；另一方面，在多品种生产的企业中，每隔 3 ~ 4 年就要更新 50 ~ 80%左右专用夹具，而夹具的实际磨损量仅为 10 ~ 20%左右。 特别是近年来，数控机床、加工中心、成组技术、柔性制造系统 (FMS)等新加工技术的应用，对机床夹具提出了如下新的要求： 1) 能迅速而方便地装备新产品的投产，以 缩短生产准备周期，降低生产成本； 2) 能装夹一组具有相似性特征的工件； 3) 能适用于精密加工的高精度机床夹具； 2 4) 能适用于各种现代化制造技术的新型机床夹具； 5) 采用以液压站等为动力源的高效夹紧装置，以进一步减轻劳动强度和提高劳动生产率； 6) 提高机床夹具的标准化程度。 现代机床夹具的发展方向 现代机床夹具的发展方向主要表现为标准化、精密化、高效化和柔性化等四个方面。 (1) 标准化 机床夹具的标准化与通用化是相互联系的两个方面。 目前我国已有夹具零件及部件的国家标准： GB/T2148~T2259－ 91 以及各类通用夹具、组合夹具标准等。 机床夹具的标准化，有利于夹具的商品化生产，有利于缩短生产准备周期，降低生产总成本。 (2) 精密化 随着机械产品精度的日益提高，势必相应提高了对夹具的精度要求。 精密化夹具的结构类型很多，例如用于精密分度的多齿盘，其分度精度可达177。 ；用于精密车削的高精度三爪自定心卡盘，其定心精度为 5μm。 (3) 高效化 高效化夹具主要用来减少工件加工的基本时间和辅助时间，以提高劳动生产率，减轻工人的劳动强度。 常见的高效化夹具有自动化夹具、高速化夹具和具有夹紧力装置的夹 具等。 例如，在铣床上使用电动虎钳装夹工件，效率可提高 5 倍左右；在车床上使用高速三爪自定心卡盘，可保证卡爪在试验转速为9000r/min 的条件下仍能牢固地夹紧工件，从而使切削速度大幅度提高。 目前，除了在生产流水线、自动线配置相应的高效、自动化夹具外，在数控机床上，尤其在加工中心上出现了各种自动装夹工件的夹具以及自动更换夹具的装置，充分发挥了数控机床的效率。 (4) 柔性化 机床夹具的柔性化与机床的柔性化相似，它是指机床夹具通过调整、组合等方式，以适应工艺可变因素的能力。 工艺的可变因素主要有：工序特征、生产批 量、工件的形状和尺寸等。 具有柔性化特征的新型夹具种类主要有：组合夹具、通用可调夹具、成组夹具、模块化夹具、数控夹具等。 为适应现代机械工业多品种、中小批量生产的需要，扩大夹具的柔性化程度，改变专用夹具的不可拆结构为可拆结构，发展可调夹具结构，将是当前夹具发展的主要方向。 [3] 研究内容和研究方法 主要是研究 汽车拨叉 件 的加工工艺 和 夹 具的设计。 首先对 汽车拨叉 件 零件相关 3 资料进行收集， 研究出零件的以下分析方法 ： (1) 首先对 零件及其 加工 工艺 进行 分析 ， 并根据 零 件产品图 分析 其 形状特点、尺寸大小、精度要求、原材 料尺寸规格和力学性能，并结合可供选用的 金属切削 设备规格以及制造条件、生产批量等因素，分析零件的 加工 工艺性。 良好的 加 工艺性应保证材料消耗少、工序数目少、占用设备数量少、 生产效率高、 夹 具结构简单而寿命高、产品质量稳定、操作简单。 (2) 确定工艺方案和 主要工艺参数 的 计算。 在 机械加工 工艺性分析的基础上，找出工艺与 夹 具设计的特点与难点，根据实际情况提出各种可能的 加工 工艺方案，内容包括工序性质、工序数目、工序顺序及组合方式等。 同一种零件可能存在多个可行的 加工 工艺方案，通常每种方案各有优缺点，应从产品质量、生产效率、设 备占用情况、 夹 具制造的难易程度和寿命高低、生产成本、操作方便与安全程度等方面进行综合分析、比较，确定出适合于现有生产条件的最佳方案。 此外，了解零件的作用及使用要求对零件 加工 工艺与 夹 具设计是有帮助的。 工艺参数包括机床的转速、加工的刀具及其尺寸、加工余量和加工时间。 (3) 选择 加工 设备。 选择机床时应考虑以下几个方面： 机床的加工尺寸范围与零件的外廓尺寸相适应； 机床的工作精度应与工序的精度要求相适应； 机床的生产效率应与零件的生产类型相适应； 机床的选择应考虑车间现有设备条件，尽量采用现有设备或对现有 设备进行改装。 [4] (4) 夹 具结构形式的选择与设计。 根据拟定的工艺方案，考虑 零 件的形状特点、零件尺寸大小、精度要求、生产批量、加工条件、操作方便与安全的要求等选定与设计 夹 具 结构形式。 在单件小批生产中，应尽量选用通用夹具和组合夹具，在大批、大量生产中应安工序加工要求设计制造专用夹具。 夹具的结构设计主要有 :定位装置的设计、夹紧装置的设计、对刀及引导装置的设计和夹具体的设计。 (5) 夹 具结构参数计算。 确定 夹 具结构形式后，需计算或校核 夹 具结构上的有关参数，如 定位元件的尺寸、极限偏差和定位元件间位置尺寸及其极限 偏差，定位误差的计算、夹紧力的计算等。 (6) 绘制 夹 具图。 夹 具图是 加工 工艺与 夹 具设计结果的最终体现，一套完整的夹 具图应该包括 夹 具和使用 夹 具的完备信息。 夹 具图的绘制应该符合国家制定的制图标准，同时考虑 夹 具行业的特殊要求与习惯。 夹 具图由总装图和非标准件的零件图组成。 总装配图主要反映整个 夹 具各个零件之间的装配关系，同时 要 在 夹具图中 4 用双点画线绘制出工件图 ， 工件图应画为实际加工的位置。 右下方列出 夹 具零件的明细表，写明技术要求等。 零件图一般根据 夹 具总装配图测绘，应该有足够的必要的剖面、剖视图以将零件结构表达清楚。 此外 ，要标注零件加工所需的所有结构尺寸、公差、表面粗糙度、热处理及其他技术要求。 [5] 对于一个完整的生产过程， 加工 工艺与 夹 具设计是密不可分的，二者相互联系，相互影响，因此前述 方法 可能需要交叉、反复进行。 若方案有变化，则需重新进行设计计算。 课题研究的意义和目的 在汽车零部件的生产过程中，企业看重零件的生产工艺及其夹具的设计方案，达到提高汽车零部件质量和提高生产效率降低生产成本，提高国内汽配市场占有率的目的。 通过对课题的分析与设计能够 缩短 产品 生产周期 ， 降低生产成本， 对增强企业的竞争力有重大的意义。 论文正文的结构 本文共分六章，内容包括：绪论 (简述了该课题的背景及国内外研究现状和研究方法以及意义和目的 )； 汽车拨叉零件的分析 (包括零件材料的分析和工艺 的分析等 )；工艺 规程 设计计算 (主要 设计各道加工工序、 计算各工序的工艺参数 )； 定位销孔夹具 的设计。 5 第 2 章 零件的工艺总体设计 汽车拨叉 的作用 变速叉是典型的叉杆类零件。 工作时，操纵变速操纵杆，通过叉型拨杆、变速导块、变速叉轴，带动变速叉拨动滑动齿套改换挡位，实现汽车行驶的各种速度。 变速箱在改换挡位时，变速叉拨动滑动齿套与同 步锥半齿啮合。 在啮合过程中，滑动齿套一直在做旋转运动，变速叉叉爪和滑动齿套拨叉槽产生摩擦，使叉爪部位产生磨损，叉杆同时受弯曲应力的作用。 因此，变速叉结构形式、材质选择、热处理方式及硬度指标，均以增强耐磨性和刚度为基点，以适应变速 叉 的工作条件。 [6] 图 21 汽车拨叉 照片 汽车拨叉 的 工艺分析 汽车 拨叉是一个很重要的零件，因为其零件尺寸比较小，结构形状较复杂，其 轴孔 的 加工 精度要求较高，此外还有 拨叉脚上下 端面 要求加工，对精度要求也较 高。 其 拨叉脚端面 与 轴 孔中心轴有垂直度公差要求， 定位 销孔 与 轴孔中心轴垂直 度要求。 因为其尺寸精度、几何形状精度和相互位置精度，以及各表面的表面质量均影响机器或部件的装配质量，进而影响其性能与工作寿命，因此它 们 的加工是非常关键和重要的。 6 汽车拨叉工艺要求 图 22 汽车拨叉 零件图 7 一个好的结构不但要应该达到设计要求，而且要有好的机械加工工艺性，也就是要有加工的可能性，要便于加工，要能够保证加工质量，同时使加工的劳动量最小。 而设计和工艺是密切相关的，又是相辅相成的。 设计者要考虑加工工艺问题。 工 艺师要考虑如何从工艺上保证设计的要求。 拨叉零件图如图 22，其加工有 六 组加工： (1) 粗铣 轴孔 上 下 端面，表面粗糙度要求为 aR =； (2) 钻轴孔φ  ，表面粗糙度要求为 aR =； (3) 粗精 拨叉脚上下 端面，表面粗糙度要求为 aR =； (4) 粗精铣 拨叉脚内侧 面，表面粗糙度要求为 aR =； (5) 钻轴孔 216。  ，表面粗糙度要求为 aR =； (6) 磨拨叉脚上下 端面，表面粗糙度要求为 aR =。 毛批的选择及制造方法 汽车拨叉零件材料为 45钢，为了获得纤维组织，增强其强度，采用模锻方法制造，其拔模斜度为 07 ，模锻成型后切边，并进行调质，调质硬度为 220~260HV，并进行酸洗、喷丸处理。 喷丸处理可提高 表面硬度，增加耐磨性，消除毛坯表面因脱碳而对机械加工带来的不利影响。 为提高耐磨性，对叉爪部位需进行高频淬火，淬火硬度为 600~750HV。 [7] 生产纲领 依设计题目知： N=30000 台 /年。 拨叉重量 约 为 1kg， 属轻型零件； 由 《机械制造工艺设计简明手册》 表 知，该拨叉的生产类型为大批生产。 所以初步确定工艺安排为：加工过程划分阶段；工序适当集中；加工设备以通用设备为主，大量采用专用工装。 8 第 3 章 工艺规程设计 加工工艺过程 由以上分析可知。 该 拨叉零件的主要加工表面 是平面和孔。 一般来说，保证平面的加工精度要比保证 孔 的加工精度容易。 因此，对于 拨叉 C 来说，加工过程中的主要问题是保证 轴孔和定位销孔 的尺寸精度及位置精度，处理好 轴孔和定位销孔与平面之间的相互关系。 由上章工艺分析得知，拨叉脚端面与 轴孔 有位置度公差， 定位销孔与轴孔有位置度公差， 所以，保证 拨叉轴孔 高精度是本次设计的重点、难点。 确定各表面加工方案 一个好的结构不但应该达到设计要求，而且要有好的机械加工工艺性，也就是要有加工的可能性，要便于加工，要能保证加工的质量，同时是加工的劳动量最小。 设计和工艺是密切相 关的，又是相辅相成的。 对于设计汽车拨叉的加工工艺来说，应选择能够满足拨叉轴孔加工精度要求的加工方法及设备。 除了从加工精度和加工效率两方面考虑以外，也要适当考虑经济因素。 在满足精度要求及生产率的条件下，应选择价格较底的机床。 [8] 各表面加工注意事项 (1) 要考虑加工表面的精度和表面质量要求，根据各加工表面的技术要求，选择加工方法及分几次加工。 (2) 根据生产类型选择，在大批量生产中可专用的高效率的设备。 在单件小批量生产中则常用通用设备和一般的加工方法。 (3) 考虑被加工材料的性质。 (4) 考虑工厂或车间的实际情况，同时也应考虑不断改进现有加工方法和设备，推广新技术，提高工艺水平。 (5) 此外，还要考虑一些其它因素，如加工表面物理机械性能的特殊要求，工件形状和重量等。 [9] 选择加工方法一般先按这个零件主要表面的技术要求选定最终加工方法。 再选择前面各工序的加工方法。 9 轴孔端面加工 查《机械 制造 工艺 设计简明 手册 》 表 可以确定， 上端面 的加工方案为：粗铣 ( 1412 ITIT  )，粗糙度为 ~，一般不淬硬的平面。 叉脚端面加工 查《机 械制造工艺设计简明手册》 表 、 可以确定， 叉 端面 的加工方案为：粗铣 —— 粗 磨 ( 87 ITIT  )，粗糙度为 ~， 垂直度公差等级 ( 108 ITIT  )，淬硬 金属 平面， 磨削 的粗糙度可以较 大。 叉脚内侧面加工 查《机械制造工艺设计简明手册》 表 可以确定， 叉脚内侧面 的加工方案为：粗铣 —— 半精铣 ( 1211 ITIT  )，粗糙度为 ~， 一般不 淬硬 的 平面， 半精铣铣 的粗糙度可以较 小。 轴孔加工 查《机械制造工艺设计简明手册》 表 可以确定， 轴孔 的加工方案为： 钻—— 扩 —— 铰 —— 锪 ( 98 ITIT  )，粗糙度为 ~， 加工未淬火钢及铸铁的实心毛坯，也可同时加工有色金属 (但表面粗糙度较大 )，孔径 15mm。 定位销孔加工 查《机械制造工艺设计简明手册》 表 可以确定， 轴孔 的加工方案为： 钻( 1312 ITIT  )，粗糙度为 ， 加工未淬火钢及铸铁的实心毛坯，也可同时加工有色金属 (但表面粗糙 度较大 )，孔径 15mm。 [10] 确定定位基准 粗基准的选择 选择粗基准时，考虑的重点是如何保证各加工表面有足够的余量，使不加工表面与加工表面间的尺寸、位子符合图纸要求。 粗基准选择应当满足以下要求： (1) 粗基准的选 择应以加工表面为粗基准。 目的是为了保证加工面与不加工面的相互位置关系精度。 如果工件上表面上有好几个不需加工的表面，则应选择其中与加工表面的相互位置精度要求较高的表面作为粗基准。 以求壁厚均匀、外形对称、少装夹等。 10 (2) 选择加工余量要求均匀的重要表面作为粗基准。 例如 ：机床床身导轨面是其余量要求均匀的重要表面。 因而在加工时选择导轨面作为粗基准，加工床身的底面，再以底面作为精基准加工导轨面。 这样就能保证均匀地去掉较少的余量，使表层保留而细致的组织，以增加耐磨性。 (3) 应选择加工余量最小的表面作为粗基准。 这样可以保证该面有足够的加工余量。 (4) 应尽可能选择平整、光洁、面积足够大的表面作为粗基准，以保证定位准确夹紧可靠。 有浇口、冒口、飞边、毛刺的表面不宜选作粗基准，必要时需经初加工。 (5) 粗基准应避免重复使用，因为粗基准的表面大多数是粗糙不规则的。 多次使用难以保证 表面间的位置精度。 [11] 要从保证孔与孔、孔与平面、平面与平面之间的位置，能保证 汽车 拨叉在整个加工过程中基本上都能用统一的基准定位。 从 汽车 拨叉零件图分析可知， 其加工 粗基准 为叉轴孔上端面和与其共面的叉爪端面。 精基准选择的原则 (1) 基准重合原则。 即尽可能选择设计基准作为定位基准。 这样可以避免定位基准与设计基准不重合而引起的基准不重合误差。 (2) 基准统一原则，应尽可能选用统一的定位基准。 基准的统一有利于保证各表面间的位置精度，避免基准转换所带来的误差，并且各工序所采用的夹具比较统一，从而 可减少夹具设计和制造工作。 例如：轴类零件常用顶针孔作为定位基准。 车削、磨削都以顶针孔定位，这样不但在一次装夹中能加工大多书表面，而且保证了各外圆表面的同轴度及端面与轴心线的垂直度。 (3) 互为基准的原则。 选择精基准时，有时两个被加工面，可以互为基准反复加工。 例如：对淬火后的齿轮磨齿，是以齿面为基准磨内孔，再以孔为基准 磨齿面，这样能保证齿面余量均匀。 (4) 自为基准原则。 有些精加工或光整加工工序要求余量小而均匀，可以选择加工表面本身为基准。 例如：磨削机床导轨面时，是以导轨面找正定位的。 此外，像拉孔在无心磨 床上磨外圆等，都是自为基准的例子。 [12] 此外，还应选择工件上精度高。 尺寸较大的表面为精基准，以保证定位稳固可靠。 并考虑工件装夹和加工方便、夹具设计简单等。 11 要从保证孔与孔、孔与平面、平面与平面之间的位置，能保证 汽车 拨叉 在整个加工过程中基本上都能用统一的基准定位。 从 拨叉 C 零件图分析可知，它的 轴孔下端面 适于作精基准使用。 选择精基准的原则时，考虑的重点是有利于保证工件的加工精度并使装夹准。 工艺路线的拟订 对于大批量生产的零件，一般总是首先加工出统一的基准。 汽车拨叉 的加工的第一个工序 也就是加工统一 的基准。 具体安排是： 先以叉轴孔上端面为粗基准， 加工 叉轴孔下端面 ，再加 工叉轴孔 ，最后以 差轴孔下端面为精基准， 精加工拨叉上端面和 定位销 孔。 后续工序安排应当遵循粗精分开和先面后孔的原则。 工序的合理组合 确定加工方法以后，就按生产类型、零件的结构特点、技。